Разрядники для защиты от перенапряжений
Высоковольтные разрядники: виды и назначение
В электрических сетях довольно часто наблюдается появление импульсных всплесков напряжения, вызванных различными причинами. Несмотря на то, что такие перенапряжения носят кратковременный характер, они способны вызвать пробой изоляции с последующим коротким замыканием. Одним из вариантов предотвращения негативных последствий могло бы стать использование более надежной изоляции, однако этот способ значительно увеличивает стоимость всего оборудования. Поэтому наиболее оптимальным вариантом стали разрядники. Основной функцией этих устройств является ограничение перенапряжений в электрических сетях и установках.
- Общее устройство и принцип работы
- Технические характеристики газовых разрядников
- Виды разрядников
- Трубчатый разрядник
- Вентильный разрядник
- Магнитовентильный разрядник
- Ограничитель перенапряжения нелинейный
Общее устройство и принцип работы
Высокочастотное оборудование защищается не только молниеотводами, но и с помощью высоковольтных разрядников. Каждый из них состоит из двух основных частей – электродов и устройства для гашения дуги.
Один из электродов устанавливается на защищаемую цепь, а к другому подводится заземление. Между ними образуется пространство, известное как искровой промежуток. Когда напряжение достигает определенного значения, наступает пробой искрового промежутка между двумя электродами. За счет этого с защищаемого участка цепи снимается перенапряжение. Основным техническим требованием, предъявляемым к разряднику, является определенный уровень гарантированной электрической прочности в условиях промышленной частоты. То есть, при нормальном режиме работы сети разрядник не должен пробиваться.
После пробоя в действие вступает дугогасительное устройство. Под действием импульса повышается ионизация искрового промежутка, в результате чего пробивается фазное напряжение, действующее в нормальном режиме. Оно приводит к короткому замыканию и срабатыванию защитных устройств на этом участке. Основной задачей дугогасительного устройства как раз и является скорейшее устранение замыкания, до срабатывания средств защиты.
Широкое распространение получили конструкции газовых разрядников. В их состав входит коаксиальный элемент с незначительным разрядным промежутком, и патрон с выводом на землю. В промежутке между ними выполняется установка газоразрядного элемента в форме таблетки, заключенного в стеклянную или керамическую оболочку и оборудованного электродами с каждой стороны. Внутреннее пространство оболочки заполнено газом – аргоном или неоном.
В случае перенапряжения происходит срабатывание защиты: под действием высокой температуры в разряднике наступает резкое падение сопротивления. После этого образуется дуговой разряд с напряжением около 10 вольт. Каждый такой разрядник оборудуется собственным заземлением, в противном случае он будет бесполезен.
Во всех газовых разрядниках центральная жила коаксиального кабеля и первый электрод соединяются между собой. Второй электрод соединяется с заземленным корпусом разрядника. Когда через устройство проходит высокий импульс с большим напряжением, происходит пробой разрядника и центральная жила кабеля в течение короткого времени шунтируется на землю. Наблюдается существенное падение значения тока, до состояния гашения дуги, после чего наступает размыкание, то есть прибор находится в непроводящем режиме.
Газоразрядная трубка считается одноразовой деталью разрядника, требующая замены после каждого срабатывания.
Технические характеристики газовых разрядников
Каждый газовый разрядник обладает специфическими электрическими свойствами и техническими характеристиками.
- Номинальный импульсный ток разряда. Технические требования, предъявляемые к разряднику, определяют его способность выдерживать определенное значение импульсного тока. Отклонение от нормы имеет допустимые пределы, определяемые требованиями. Номинальное значение тока всегда указано в технической спецификации конкретного устройства.
- Емкость и сопротивление изоляции. Данные параметры достигают, соответственно, свыше 10 гОм и менее 1 пФ, что делает такие устройства буквально незаменимыми при использовании в той или иной сети.
- Статическое напряжение срабатывания. Данным параметром определяется тип разрядника, установленного в защитном устройстве. Его значение равно напряжению, достаточному для зажигания разрядника, при условии медленного возрастания величины напряжения.
- Динамическое напряжение срабатывания. Эта величина является своеобразным пределом, когда наступает быстрый рост напряжения, при котором происходит срабатывание газового разрядника.
Виды разрядников
Трубчатый разрядник
Изготовлен в виде полихлорвиниловой трубки, предназначенной для гашения дуги. На каждом конце разрядника имеется по одному электроду. К одному электроду подводится заземление, а другой устанавливается на незначительном расстоянии от защищаемого участка.
Регулировка этого расстояния осуществляется в зависимости от величины напряжения на участке. В случае возникновения перенапряжения, возникает пробой сразу в двух местах – между обоими электродами и между разрядником и защищаемым участком. Действие пробоя приводит к возникновению в трубке интенсивной газогенерации, а продольное дутье, образующееся в выхлопном отверстии, вполне способно погасить электрическую дугу.
Вентильный разрядник
Конструкция включает две основные части: многократный искровой промежуток, состоящий из нескольких однократных элементов и рабочий резистор, представляющий собой последовательно набранные вилитовые диски. Оба основных элемента последовательно соединены между собой. Рабочий резистор обеспечивается герметичной защитой от внешней среды, в связи со свойствами вилита изменять свои характеристики при повышенной влажности. При появлении перенапряжения возникает пробой многократного искрового промежутка.
Рабочий резистор выполняет задачу снижения тока до такой величины, чтобы ее могли свободно погасить искровые промежутки. Сопротивление вилита является нелинейным, оно снижается по мере увеличения силы тока. Данное свойство дает возможность пропускать больше тока при уменьшении падения напряжения. Основным достоинством разрядников этого типа считается бесшумное срабатывание при отсутствии выбросов газа или пламени.
Магнитовентильный разрядник
В его состав входят несколько блоков, соединенных последовательно, с магнитными искровыми промежутками и вилитовыми дисками. В каждом блоке имеются единичные искровые промежутки, соединенные последовательно, и постоянные магниты. Все элементы блока размещаются в фарфоровом цилиндре. Во время пробоя в единичных промежутках возникает дуга. На нее воздействует поле, создаваемое кольцевыми магнитами, заставляя вращаться с высокой скоростью. В результате, гашение дуги происходит гораздо быстрее, чем в других типах вентильных разрядников.
Ограничитель перенапряжения нелинейный
В этом разряднике отсутствуют искровые промежутки. Конструкция активной части ограничителя включает в себя последовательный набор варисторов. Именно на их свойствах основан принцип работы всего устройства, поскольку проводимость варисторов находится в зависимости от прилагаемого напряжения.
Виды заземления и их назначения
Трансформаторы тока назначение и принцип действия
Контактор КМИ: назначение и принцип работы
УЗО: Назначение, причины срабатывания, подключение УЗО
Разрядники
Разрядник — это пассивное электрическое устройство, у которого при определенном значении приложенного напряжения пробивается искровой промежуток и ограничивает перенапряжения в установке.
- 1. Разрядник, его назначение, принцип действия
- 2. Типы разрядников
- 3. Воздушный разрядник закрытого и открытого типа (трубчатый разрядник)
- 4. Газовый разрядник
- 5 Вентильный разрядник
- 6. Магнитовентильный разрядник (рвмг)
- 7. Ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН)
- 8. Выбор разрядников
- 9. Технические характеристики разрядников
- 10. Обозначения разрядников
- 11. Разрядники 6 КВ, 10 КВ, 35кВ, 110 кВ, 220 кВ
1. Разрядник, его назначение, принцип действия
Разрядники представляют собой защитные аппараты. Они предназначены для защиты изоляции электрооборудования от перенапряжений.
Разрядник состоит из двух электродов и дугогасительного устройства.
Один из электродов закрепляют на защищаемой цепи, второй электрод заземляют. Пространство между этими двумя электродами называется искровым промежутком. При определенном значении напряжения между электродами искровой промежуток пробивается и снимает перенапряжение с защищаемого участка цепи.
После пробоя импульсом искровой промежуток становится достаточно ионизированным, чтобы фазные напряжения нормального режима могли пробиться, в связи с этим возникает короткое замыкание. Задача дугогасительного устройства — в наиболее короткие сроки устранить это до того, как сработают устройства защиты.
Принцип действия разрядников. В конструкции разрядников предусмотрен воздушный зазор в перемычке, который соединяет фазы линии электропередач и заземляющий контур. При номинальной величине напряжения цепь в перемычке разорвана. В случае грозового разряда в результате перенапряжения в ЛЭП происходит пробой воздушного зазора, происходит замыкание цепи между фазой и землей и импульс высокого напряжения напрямую уходит в землю.
2. Типы разрядников
Различают такие типы разрядников:
- Воздушный
- Газовый
- Вентильный
- Магнитовентильный
3. Воздушный разрядник закрытого и открытого типа (трубчатый разрядник)
Имеет вид полихлорвиниловой трубки, которая предназначена для гашения дуги. На каждом конце разрядника имеется по одному электроду (рис.1). К одному электроду подведено заземление, а другой установлен на незначительном расстоянии от защищаемого участка.
Рисунок 1 – Структурная схема воздушного разрядника
4. Газовый разрядник
Газовые разрядники представляют собой компоненты, заполненные инертным газом (рис.2). Корпус разрядника изготовлен в виде керамической трубки, концы которой закрыты металлическими пластинами и выступают в роли электродов.
Рисунок 2 – Структурная схема газового разрядника
5 Вентильный разрядник
Состоит из двух основных частей: многократный искровой промежуток и рабочий резистор, состоящий из последовательно набранных вилитовых дисков (рис.3). Оба этих основных элемента соединены между собой последовательно.
Рисунок 3 – Структурная схема вентильного разрядника
6. Магнитовентильный разрядник (рвмг)
В состав магнитовентильного разрядника входят несколько блоков, соединенных последовательно (рис.4). В каждом блоке имеются единичные искровые промежутки, которые последовательно соединены, а также постоянные магниты. Все элементы блока размещаются в цилиндре из фарфора.
Рисунок 4 – Структурная схема магнитовентильного разрядника
7. Ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН)
В этом разряднике отсутствуют искровые промежутки(рис.5). Конструкция активной части ограничителя включает в себя последовательный набор варисторов.
Рисунок 5 – Структурная схема ограничителя перенапряжений
8. Выбор разрядников
Основные параметры разрядников: класс пропускной способности, наиболее длительное допустимое рабочее напряжение, уровни остающихся напряжений при коммутационных и грозовых импульсах, номинальное напряжение, величина тока срабатывания противовзрывного устройства, номинальный разрядный ток, длина пути утечки внешней изоляции.
Выбор разрядников производится исходя из назначения, конструктивного исполнения, требуемого уровня ограничения перенапряжений, схемы сети и ее параметров.
9. Технические характеристики разрядников
Выделяют такие основные технические характеристики разрядников:
- Класс напряжения цепи;
- Наибольшее допустимое напряжение;
- Пробивное напряжение при частоте 50 Гц в сухом состоянии и под дождем;
- Импульсное пробивное напряжение при предразрядном времени от 2 до 20 мкс;
- Остающееся напряжение при волне 8 мкс;
- Ток утечки;
- Токовая пропускная способность;
- Длина пути утечки внешней изоляции;
- Допустимое натяжение проводов;
- Высота;
- Масса ограничителя.
10. Обозначения разрядников
Таблица 1 – Обозначения разрядников на схемах
| Наименование | Обозначение |
| Разрядник. Общее обозначение. |  |
| Разрядник трубчатый |  |
| Разрядники вентильный и магнитовентильный |  |
| Разрядник шаровой |  |
| Разрядник роговой |  |
| Разрядник угольный |  |
| Разрядник электрохимический |  |
11. Разрядники 6 КВ, 10 КВ, 35кВ, 110 кВ, 220 кВ
Основные характеристики разрядников 6-220 кВ приведены в таблицах 2 и 3.
Таблица 2 – Технические характеристики разрядников 6 кВ, 10 кВ
| Параметр | Единица измерения | РВО-6 Н | РВО-10 Н |
| Класс напряжения сети | кВ | 6 | 10 |
| Наибольшее допустимое напряжение | кВ | 7,5 | 12,7 |
| Пробивное напряжение при частоте 50 Гц в сухом состоянии и под дождём: |
|||
| не менее | кВ | 16 | 26 |
| не более | кВ | 19 | 30,5 |
| Импульсное пробивное напряжение при предразрядном времени от 2 до 20 мкс, не более |
кВ | 32 | 48 |
| Остающееся напряжение при волне 8 мкс, не более: | |||
| с амплитудой тока 3000А | кВ | 25 | 43 |
| с амплитудой тока 5000А | кВ | 27 | 45 |
| Ток утечки, не более | мкА | 6 | 6 |
| Токовая пропускная способность: | |||
| 20 импульсов тока волной 16/40 мкс | кА | 5,0 | 5,0 |
| 20 импульсов тока прямоугольной волной длительностью 2000 мкс | А | 75 | 75 |
| Длина пути утечки внешней изоляции, не менее | см | 18 | 26 |
| Допустимое натяжение проводов, не менее | Н | 300 | 300 |
| Высота, не более | мм | 294 | 411 |
| Масса, не более | кг | 3,1 | 4,2 |
Таблица 3 – Технические характеристики разрядников 35кВ, 110 кВ, 220 кВ
Разрядник- принцип работы, устройство и его виды
Сейчас в наше время разрядники распространены повсеместно. Поэтому вопросы о разрядниках стали актуальными. Но на большинстве сайтов информация очень сложная и непонятная. Эта статья очень проста в понимании. Из неё вы узнаете: что такое разрядник, принцип работы, устройство и виды разрядников.
В современной электронике довольно часто возникают сильные всплески напряжения. Перенапряжения могут сильно повлиять на электрические устройства, работающие при нормальных условиях, даже если они кратковременны. Причиной этого может стать плохая коммутация электрических цепей, слабая изоляция, резонансные помехи. Причины бывают, как и внутренние, так и внешние. Атмосферные разряды гроз могут стать внешней причиной перенапряжения.
Для предохранения от перенапряжения раньше применялись только громоотводы. Сейчас с высоким развитием современной электроники стали применяться такие замечательные устройства, как разрядники.
- Что такое разрядник?
- Устройство разрядника
- Принцип работы разрядника
- Виды разрядников:
- Трубчатый разрядник
- Вентильные разрядники.
- Магнитовентильный разрядник (РВМГ)
- Ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН).
Что такое разрядник?
С высоким развитием промышленности удалось сделать разрядники экономичными и эффективными для использования в своих целях. Сейчас в наше время использование надежной изоляции весьма дорого и неэффективно, удобнее всего, конечно же, использовать разрядники.
В узком смысле разрядники являются защитными элементами электрических цепей, без которых часто бы портились электрические приборы, изоляция ЛЭП кабелей или проводов.
Устройство разрядника
Разрядник состоит из двух основных частей: электродов и дугогасительного устройства.
Устройство разрядника в зависимости от его вида бывает разным.
Разрядник имеет прочный герметичный корпус, который предохраняет его от внешних механических повреждений. Промежуток между электродами называется искровым промежутком. Один из электродов присоединяется к защищаемому элементу электрической цепи, а другой обязательно заземляется. Без заземления разрядник бесполезен.
Важно то, что дугогасительное устройство несёт большее значение в работе разрядника, в ином случае разрядник не сможет предотвратить от фазного пробоя. Фазный пробой повлечет за собой короткое замыкание (КЗ).
Рис 2. Устройство трубчатого разрядника
Пробивное напряжение – это одна из главных характеристик разрядника, которая показывает напряжение, при котором в разряднике, между его электродами возникает искры, то есть разрядник пробивается. Полярность подключение к электродам 2 и 3 не имеет существенной разницы, если это разрядник переменной сети.
Дугогасительное устройство в данном случае представляет из себя корпус, который выделяет газ. Современные методы производства позволяют создавать разрядники различных характеристик.
Принцип работы разрядника
Принцип работы разрядника довольно прост, как и его устройство. При возникновение перенапряжения на электродах разрядника значительно возрастает напряжение. Если это напряжение станет больше напряжение пробоя, которое прописано в характеристике устройства, то возникнет пробой.
Чтобы этого не произошло, в разряднике присутствует дугогасительное устройство. В зависимости от вида разрядника имеются различные виды дугогасительных устройств. Все разрядники подразделяются на несколько видов.
Ниже представлены основные виды разрядников.
Виды разрядников:
-Трубчатый (воздушный);
-Газовый;
-Вентильный:
-Магнитовентильный разрядник (РВМГ);
-Ограничитель перенапряжения нелинейный (ОПН);
-Трубчатые разрядники ( воздушный )
Трубчатый разрядник
Трубчатый разрядник представляет собой трубку из прочного материала. Сам материал – это различные полимеры. Самый распространённый из них – это полихлорвинил. Полихлорвинил способен вынести температуру, пригодную для данного типа разрядников.
В трубку помещены два электрода (рис 1.). Один присоединяется к защищаемому элементу, а другой заземляется. Принцип работы трубчатого разрядника довольно прост.
При напряжении пробоя образуется искра, которая ионизирует воздух. Воздух сильно нагревается, при этом идет массовое выделение газов.
Интенсивная газовая генерация гасит дугу фазного напряжения. Такое дугогасительное устройство называется продольным дутьём. Для выхода газов наружу, в разряднике имеется отверстие.
Газовый разрядник отличается от воздушного только тем, что его корпус наполняют инертным газом (аргоном или неоном). В отличие от воздушного разрядника, в газовом разряднике дугу, образованную фазным напряжением, гасят инертные газы.
В современной электронике трубчатые разрядники распространены повсеместно. Они просты по устройству и надежны. Пробивное напряжение воздушных разрядников невысокое, поэтому такие разрядники не применяются в более высоковольтной аппаратуре.
Более высокое пробивное напряжение у газовых разрядников. Они гораздо эффективнее, так как газы не вступают в реакции, тем самым продлевают жизнь электродам.
Рис 3. Трубчатый разрядник
Вентильные разрядники.
Вентильный разрядник состоит из набора многократно повторяющихся искровых промежутков и нелинейных сопротивлений.
Принцип работы вентильного разрядника немного другой, чем у трубчатых разрядников. Во время работы электроды искрового промежутка снимают перенапряжения, а нелинейные сопротивления(резисторы) гасят дугу фазного напряжения.
Резисторы состоят из набора вилитовых дисков. Вилит – это запеченная смесь карбида кальция с жидким стеклом. По сравнению с трубчатыми и газовыми разрядниками, вентильные разрядники имеют более высокое напряжение пробоя.
Рис 4. Вентильный разрядник.
Магнитовентильный разрядник (РВМГ)
В отличие от устройства вентильного разрядника, в устройство магнитовентильного разрядника входит набор кольцевых магнитов.
Принцип работы магнитовентильного разрядника немного другой. При пробое фазным напряжением образуются дуга. Под воздействием магнитного поля магнитов дуга начинает вращаться, тем самым дуга гасится.
Рис 5. Магнитовентильный разрядник (РВМГ).
Ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН).
Варистор – это полупроводниковый резистор, который меняет сопротивление в зависимости от приложенного к нему напряжения. При возрастании напряжения, сопротивление варистора падает, поэтому он пропускает через себя электрический ток, тем самым снимая напряжение с защищаемого участка электрической цепи.
Варисторы в процессе работы очень сильно нагреваются, поэтому корпуса нелинейных ограничителей перенапряжения делают теплопроводными. Это позволяет отводить тепло.
Сама конструкция ОПН очень проста, поэтому это упрощает методы производства. Также у ОПН неплохие технические характеристики. Количество варисторов можно варьировать в зависимости от нужного пробивного напряжения нелинейного ограничителя перенапряжения.
Рис 6.Ограничитель перенапряжения нелинейный (ОПН).
В заключение хочу скачать, что помимо высоковольтных разрядников, в современной электронике появились низковольтные разрядники.
Это позволяет радиолюбителем широко использовать такие замечательные устройства.
Как работают искровые разрядники?
В линиях электропередачи из-за атмосферных явлений, а также процессов коммутации, нередко возникают импульсные перенапряжения. Импульсные перенапряжения из-за атмосферных явлений могут возникать также в проводных системах связи на медных кабелях, а также антенных сооружений систем радиосвязи. Резкие броски напряжения способны разрушать изоляцию проводов. Также указанные явления могут приводить к выходу аппаратуры из строя. Для борьбы с перенапряжениями применяются устройства, именуемые разрядниками. Их задача — быстро соединить линию подвергшеюся опасности с заземлением, тем самым «сбросить» разрушительный электрический заряд. Ни электромеханические системы (реле), ни даже устройства с микропроцессорным управлением не способны заменить простые и дешевые разрядники, отличающиеся от прочих «выключателей» высоким быстродействием.
Защитные устройства с нелинейным сопротивлением (варисторы) часто также относят к разрядникам, хотя принцип их работы другой
Наиболее массовый класс разрядников, исторически появившийся первым — так называемые искровые разрядники. В их основе лежит явление электрического разряда в газе, отсюда и появилось слово «разрядник». Сейчас для защиты изоляции и аппаратуры используют также твердотельные устройства, обладающие нелинейным сопротивлением (варисторы) — при росте напряжения, приложенного к электродам, сопротивление резко падает. Такие устройства также называют разрядниками, хотя никакого разряда в них физически не происходит. Мы расскажем о принципе работы именно искровых разрядников.
Устройство искрового разрядника
Конструкция типичного искрового разрядника содержит в себе следующие основные элементы: герметичную камеру, заполненную газом, электроды, устройство гашения дуги.
Когда напряжение на электродах не выше порогового значения, разрядник находится в состоянии покоя. Внутреннее сопротивление (до 1 ГОм) в этом режиме можно считать бесконечно большим.
При увеличении напряжения выше порогового значения на электродах в газе возникает сначала тлеющий разряд, в результате чего напряжение на выводах падает до 80 В. При этом газ разогревается, растет ток через него, что быстро приводит к возникновению дугового разряда, когда внутри устройства образуется плазменный канал низким сопротивлением. После перехода в данное состояние через разрядник протекает значительный ток (до 150 килоампер), а напряжение на выводах падает до значения около 20 В.
Одноразовые и самовосстанавливающиеся разрядники
Одноразовый искровой разрядник не сможет защитить изоляцию и аппаратуру от повторного действия молнии. После завершения своего действия он представляет собой перемычку с сопротивлением, близким к нулю. В сетях электропитания такая перемычка вызывает срабатывание защиты, отключающей подачу электроэнергии. В телекоммуникационных сетях прерывается связь, что вызывает срабатывание сигнализации. После получения сигнала об обесточивании или прерывании связи на место выезжает специалист, заменяющий одноразовый разрядник.
Простейший вариант реализации одноразового разрядника — электроды внутри камеры, выполненные из металла, который расплавляется под действием высокой температуры. Более сложный вариант — перемычка, закрепленная на стенке камеры каплей легко плавящегося металла. При дуговом разряде эта капля расплавляется и перемычка соединяет электроды. Вероятно, вы уже догадались о том, что одноразовый искровой разрядник не самое лучшее решение для защиты электрических линий и устройств.
Самовосстанавливающийся искровой разрядник способен возвращаться в состояние покоя ограниченное число раз. Иногда такой разрядник используют совместно со счетчиком срабатываний, который позволяет оценить грозовую нагрузку и ожидаемый срок службы устройства.
Проблемы технической реализации
Основной проблемой при построении самовосстанавливающегося искрового разрядника является необходимость гашения дуги. Дело в том, что процесс дугового разряда является самоподдерживающимся. После того, как импульс прошел, плазменный канал продолжает существовать какое-то время, при этом защищаемая линия замкнута на землю. Если канал не погасить, сработает защита линии от короткого замыкания, что в общем случае нельзя допустить. А, если речь идет о телекоммуникационных применениях, то прерывается связь. В добавок ко всему, от нагрева разрядник просто разрушается. Для гашения дуги используются разнообразные средства, по конструкции которых и различаются типы искровых разрядников.
Другая проблема — защита симметричной линии, что особенно актуально для использования в телекоммуникационной отрасли. Оба провода защищены путем соединения их разрядниками с «землей». Из-за разницы параметров разрядников может возникнуть ситуация, когда один разрядник сработает, а другой нет, что может только усугубить ущерб от импульсных перенапряжений. Поэтому для защиты симметричных линий применяются трехэлектродные разрядники (не путать с управляемыми разрядниками, которые также имеют три электрода). Они представляют собой фактически два разрядника в виде одного устройства и с общем выводом «земли», выполненные в едином производственном цикле. Благодаря этому их технические характеристики полностью идентичны.
Методы гашения дуги
Обеспечение гашение дуги в заданный промежуток времени может быть обеспечено применением специального газа, который подавляет электрическую дугу при силе тока ниже порогового значения. Но на практике такой способ применяется редко, недостатком подобных разрядников является низкая стабильность ресурса использования. То есть, количество возможных срабатываний можно наперед определить только приблизительно.
Трехэлектродный разрядник с термореле производства компании CITEL
Более распространенный способ, когда речь идет о телекоммуникационных применениях — разрядник с термореле. В таких разрядниках используются прочные электроды, способные выдержать многократное срабатывание. Параллельно разряднику включается термореле. При возникновении дугового разряда камера нагревается и термореле срабатывает, шунтируя разрядник. Напряжение на разряднике падает до нулевого значения и дуговой разряд прекращается. После охлаждения термореле его контакты размыкаются и разрядник переходит в состояние покоя. Разрядники с термореле выдерживают до 10 срабатываний.
В вентильном разряднике для гашения дуги используется нелинейное сопротивление
На протяжении многих десятилетий на электрических сетях широко используются вентильные разрядники. Они представляют собой последовательно соединенный газовый разрядник и нелинейное сопротивление. В нашей стране обычно используются сопротивления из вилита — композиционного материала на основе карбида кремния. Сопротивление вилитового резистора тем меньше, чем больше сила тока. Когда происходит импульсное перенапряжение и срабатывает разрядник, сила тока через резистор резко возрастает и его сопротивление снижается. Но когда импульс прошел и продолжается самоподдерживающийся дуговой разряд, сила тока падает, сопротивление резистора возрастает, что приводит к уменьшению напряжения на контактах разрядника. Таким способом гасится дуговой разряд. Вентильный разрядник выдерживает до 20 срабатываний.
Разновидностью вентильного разрядника является магнитовентильный, где для гашения дуги дополнительно используется магнитное поле.
Несколько выбивается из общего ряда трубчатый разрядник, который также относится к искровым. В нем камера не является герметичной и заполнена твердым веществом — поливинилхлоридом. «Земля» выполнена в виде трубки, другой электрод выполнен в виде стержня, коаксиально расположенного в этой трубе. При искровом разряде в толще поливинилхлорида вырабатывается газ, стремящийся выйти наружу. Течение газа осуществляет гашение дуги. Трубчатые разрядники выдерживают до 10 срабатываний. Их основное преимущество — дешевизна, но в остальном их характеристики находятся не на самом высоком уровне, поэтому такие разрядники постепенно заменяют твердотельными.
Специальные типы разрядников
Выпускаются управляемые разрядники, имеющие три электрода. Они используются не для защиты оборудования, а для коммутации больших импульсов энергии. Третий электрод нужен для управления током, текущим между двумя другими электродами.
Для защиты изоляторов ЛЭП применяются длинно искровые разрядники, основанные на принципе скользящего разряда. Этот тип разряда возникает на диэлектрической поверхности и не может переходить в дуговой разряд, что отменяет необходимость в дугогасительных устройствах. В последнее время на смену длинной искровым разрядникам приходят мультикамерные, в которых гашение дуги происходит потоком газа, вырабатываемом при разряде. Как длинно искровые, так и мультикамерные разрядники были изобретены российскими учеными.
Выводы
Искровые разрядники находят свое применение как недорогие надежные устройства, способные выдерживать большие нагрузки. В телекоммуникационных приложениях использование варисторов ограничено из-за высокой емкости. В то же время, целесообразность их использования во многом упирается в экономику. Вентильный разрядник — дорогое устройство, требующее замены через каждые 20 срабатываний. Разница в стоимости между твердотельным и вентильным разрядниками полностью перекрывается более высокими затратами на эксплуатацию, так что твердотельный разрядник предпочтительнее.
Искровые разрядники применяются для уравнивания потенциалов в системах молниезащиты
Применение искровых разрядников в телекоммуникационных и сетях низковольтного электроснабжения необходимо и оправдано. В системах молниезащиты они очень востребованы благодаря надежности и возможности пропускать через себя большие токи. Примером тому могут служить разделительные разрядники Leutron, выдерживающие силу тока до 100 килоампер.
О защите от перенапряжений входа блоков питания с помощью разрядников
При использовании дорогостоящего компьютерного оборудования, например, майнинг ферм, необходимо использовать качественные и высокоэффективные блоки питания. Они должны иметь надежно работающую защиту от перегрузки, коротких замыканий, перенапряжений и других неблагоприятных факторов.
В статье «О роли варисторов/терморезисторов в блоках питания» рассматривались некоторые особенности защиты входных цепей радиоэлектронной аппаратуры с помощью элементов с нелинейным изменением сопротивления в зависимости от напряжения/температуры. В данной статье эта тема продолжает свое развитие.
Защита импульсных блоков питания от перенапряжений (surge protection) должна реализоваться на его входе, в высоковольтной части. В качественных блоках питания в качестве дополнительных защитных элементов от электрических перенапряжений (surge protective devices, SPD), кроме варисторов и терморезисторов, используются газовые разрядники.
Разрядники ZD2R400 (напряжение пробоя 400V):
Блок-схема качественного импульсного блока питания (за защиту на входе отвечает блок Fuse, EMI и Surge Protection, выход которого нагружен на Bleed resistor — стабилизирующее нагрузочное сопротивление):
Чем отличаются искровые разрядники от варисторов?
Обычно варисторы и газовые разрядники выполняют одну и ту же задачу по защите от всплесков высокого напряжения, вызванных переходными процессами при коммутации, атмосферными разрядами и другими причинами.
Пример реализации защиты импульсного блока питания от входных всплесков напряжения с помощью трех варисторов (leaded disk varistor) и двух разрядников (surge arresters):
Обозначение различных типов разрядников на электрических схемах:
1 — Разрядник без указания его типа (общее обозначение);
2 — Трубчатый разрядник;
3 — Вентильный/магнитовентильный разрядник;
5 — Пробивной предохранитель;
6 — Газовый разрядник;
7 — Трехэлектродный (управляемый) газовый разрядник;
8 — Термозащищенный газовый разрядник.
Газовые разрядники отличаются от варисторов принципом действия, хотя и выполняют похожие задачи по защите радиоэлектронных цепей от разрушительных высоковольтных импульсов (перенапряжений).
Варисторы в большинстве случаев являются метал-оксидными электронными элементами (MOV, Metal Oxide Varistor) с нелинейно уменьшающимся сопротивлением при увеличении приложенного напряжения (кроме того, существуют кремний-оксидные варисторы — SOV, Silicon Oxide Varistor). Благодаря этому полезному свойству, при всплеске напряжения, его энергия гасится на варисторе, включенном параллельно устройству/нагрузке.
Внутренняя структура метал-оксидного варистора:
Вольт-амперная характеристика метал-оксидного варистора:
Время срабатывания MOV-варистора равно наносекундам. Инертность варистора может привести к прохождению на защищаемый участок цепи большого количества энергии, способной вывести его из строя. Кроме того, варисторы подвержены старению — деградации, из-за которой со временем они работают со значительно худшими характеристиками. Деградацию варисторов сложно выявить в обычных условиях эксплуатации, поэтому она зачастую проявляется в виде выхода из строя защищаемого участка цепи при прохождении большого импульса напряжения.
При подборе MOV-варистора для конкретной конструкции нужно учитывать максимальное пиковое действующее напряжение в электрической цепи (его амплитуду). Для защиты входа устройства, включающегося в сеть нужно учитывать не действующее (среднеквадратичное или эффективное) значение переменного напряжения, которое показывает обычный вольтметр, а его максимальную амплитуду (пиковое напряжение).
Например, в сети с действующим переменным фазным напряжением Ud = 230 вольт (измеряется между фазой и нейтралью), максимальная амплитуда Um достигает значения (с учетом возможного допуска +10%):
Поэтому на входе устройств, питающихся от сети переменного синусоидального тока напряжением 220-240 вольт, нужно ставить электронные элементы рассчитанные на работу с напряжением не менее 400 вольт.
При слишком большой энергии электрического импульса, который гасится на варисторе, он сгорает. Это может произойти при долговременной подаче высоковольтного импульса и/или его очень большой амплитуде.
Фотография сгоревшего варистора:
В качественных импульсных блоках питания, кроме варисторов используются газовые разрядники или Gas-Filled Surge Arresters (SVT — разрядники, наполненные инертным газом).
В нормальных условиях разрядник имеет бесконечное сопротивление, но если напряжение между его электродами достигает определенного значения, то между ними начинает протекать ионизированный поток (так работает неоновая лампа). При дальнейшем повышении напряжения возникает электрическая дуга с образованием участка с постоянной проводимостью (пробой) с дуговым падением напряжения (arc drop).
Вольт-амперная характеристика типового газового разрядника:
Обычно в схемах с использованием разрядников избыточная энергия высоковольтного импульса гасится через цепь, образованную электрической дугой между электродами разрядника и нагрузочным сопротивлением.
Как включаются газовые разрядники в импульсных блоках питания?
Схема полноценной реализации двухступенчатой защиты от всплесков напряжения с помощью шести метал-оксидных варисторов и двух разрядников (первая ступень ограничивает напряжение в дифференциальном режиме (difference mode), а вторая — в синфазном (common mode)):
Схема, иллюстрирующая разницу между дифференциальным (differential) и синфазным (common) паразитными токами:
Упрощенная схема защиты от перенапряжений с двумя варисторами и двумя разрядниками:
Таблица значений пикового напряжения в схемах с полноценной (tradictional circuit) и упрощенной (simplified) реализацией защиты от перенапряжений (даны значения для разных развязывающих индуктивностей L1-L4):
Осцилограммы напряжений в схемах с катушками индуктивности 10 мкгн на полноценной и упрощенной схемах защиты:
а) дифференциальная часть схемы:
б) синфазная часть схемы:
Как видно из таблицы и осциллограмм, разница между пиковыми значениями напряжений в полноценной и упрощенной схемах защиты составляет единицы процентов, что не так уж много в сравнении с ценой использующихся компонентов. Поэтому на практике можно с успехом применять упрощенную схему защиты с двумя варисторами и двумя разрядниками.
Реализация защиты от перенапряжений высоковольтной части блока питания Be Quiet! Dark Power Pro 11 на 1200 ватт, где установлено четыре разрядника (на фотографии видно разрядники GT2, GT4, элементы GT1, GT3 находятся с другой стороны катушек индуктивности):
В блоке питания Be Quiet! Dark Power Pro 11 на 1200 ватт два разрядника включены параллельно входу высоковольтной части БП (GT1, GT3) и еще два — параллельно катушкам индуктивности (GT2, GT4).
Включение газового разрядника параллельно одной из катушек индуктивности используется для защиты от сатурации и всплесков напряжения, связанных с резонансным эффектом:
В дешевых БП роль разрядников, включенных параллельно катушкам индуктивности выполняют проводящие дорожки на печатной плате с зубчиками, между которыми есть небольшой зазор:
Зубчики, выполняющие роль разрядника на плате блока питания:
Теоретически, при появлении высоковольтного импульса должен происходить пробой между этими зубчиками, предохраняющий устройство от серьезных последствий.
При включении блоков питания Be Quiet! с несколькими газовыми разрядниками иногда слышен характерный треск и видны вспышки, вызванные их работой, которые иногда ошибочно воспринимаются как поломка.
Вариант схемы включения газового разрядника и трех варисторов для защиты блока питания, подключенного к однофазной сети переменного тока:
К недостаткам разрядников можно отнести очень малое гашение импульсов напряжения и долгое время, при котором сохраняется их проводящее состояние после воздействия высоковольтного импульса. В некоторых случаях оно сохраняется так долго, что они могут сгореть.
Для устранения недостатков в работе разрядника используют включение дополнительных фильтров с супрессорными диодами, быстродействующих реле и т. д.
Пример реализации схемы входной цепи БП средней/высокой мощности с защитой от высоковольтных импульсов (цепи фаза-фаза и фаза-земля) с помощью SVP-разрядника GT1, MOV-варисторов V1-V3 и TVS-диодов D1-D3 (супрессорных):
Разрядник
Разря́дник — электрический аппарат, предназначенный для ограничения перенапряжений в электротехнических установках и электрических сетях. Первоначально разрядником называли устройство для защиты от перенапряжений, основанный на технологии искрового промежутка. Затем, с развитием технологий, для ограничения перенапряжений начали применять устройства на основе полупроводников и металл-оксидных варисторов, применительно к которым продолжают употреблять термин «разрядник».
Содержание
Применение
В электрических сетях часто возникают импульсные всплески напряжения, вызванные коммутациями электроаппаратов, атмосферными разрядами или иными причинами. Несмотря на кратковременность такого перенапряжения, его может быть достаточно для пробоя изоляции и, как следствие, короткого замыкания, приводящего к разрушительным последствиям. [1] Для того, чтобы устранить вероятность короткого замыкания, можно применять более надежную изоляцию, но это приводит к значительному увеличению стоимости оборудования. В связи с этим в электрических сетях целесообразно применять разрядники.
Устройство и принцип действия
Разрядник состоит из двух электродов и дугогасительного устройства.
Электроды
Один из электродов крепится на защищаемой цепи, второй электрод заземляется. Пространство между электродами называется искровым промежутком. При определенном значении напряжения между двумя электродами искровой промежуток пробивается, снимая тем самым перенапряжение с защищаемого участка цепи. Одно из основных требований, предъявляемых к разряднику — гарантированная электрическая прочность при промышленной частоте (разрядник не должен пробиваться в нормальном режиме работы сети).
Дугогасительное устройство
После пробоя импульсом искровой промежуток достаточно ионизирован, чтобы пробиться фазным напряжением нормального режима, в связи с чем возникает короткое замыкание и, как следствие, срабатывание устройств РЗиА, защищающих данный участок. Задача дугогасительного устройства — устранить это замыкание в наиболее короткие сроки до срабатывания устройств защиты.
Виды разрядников
Воздушный разрядник закрытого или открытого типа (трубчатый разрядник)
Воздушный разрядник представляет собой дугогасительную трубку из полимеров, способных подвергаться термической деструкции с выделением значительного количества газов и без значительного обугливания — полихлорвинила или оргстекла (первоначально, в начале XX века, это была фибра), с разных концов которой закреплены электроды. Один электрод заземляется, а второй располагается на определенном расстоянии от него (расстояние определяет напряжение срабатывания, или пробоя, разрядника) и имеет прямое электрическое подключение к защищаемому проводнику линии. В результате пробоя в трубке возникает интенсивная газогенерация (плазма), и через выхлопное отверстие образуется продольное дутье, достаточное для гашения дуги. В воздушном разряднике открытого типа выброс плазменных газов осуществляется в атмосферу. Напряжение пробоя воздушных разрядников — более 1 кВ.
Газовый разрядник
Конструкция и принцип действия идентичны воздушному разряднику. Электрический разряд происходит в закрытом пространстве (керамическая трубка), заполненном инертными газами. Технология электрического разряда в газонаполненной среде позволяет обеспечить более лучшие характеристики скорости срабатывания и гашения разрядника. Напряжение пробоя газонаполненного разрядника — от 60 Вольт до 5 килоВольт.
Вентильный разрядник
Вентильный разрядник состоит из двух основных компонентов: многократного искрового промежутка (состоящего из нескольких последовательно соединенных единичных искровых промежутков) и рабочего резистора (состоящего из последовательного набора вилитовых дисков). Многократный искровой промежуток последовательно соединен с рабочим резистором. В связи с тем, что вилит меняет характеристики при увлажнении, рабочий резистор герметично закрывается от внешней среды. Во время перенапряжения многократный искровой промежуток пробивается, задача рабочего резистора — снизить значение сопровождающего тока до величины, которая сможет быть успешно погашена искровыми промежутками. Вилит обладает особенным свойством — его сопротивление нелинейно — оно падает с увеличением значения силы тока. Это свойство позволяет пропустить больший ток при меньшем падении напряжения. Благодаря этому свойству вентильные разрядники и получили свое название. Среди прочих преимуществ вентильных разрядников следует отметить бесшумность срабатывания и отсутствие выбросов газа или пламени.
Магнитовентильный разрядник (РВМГ)
РВМГ состоит из нескольких последовательных блоков с магнитным искровым промежутком и соответствующего числа вилитовых дисков. Каждый блок магнитных искровых промежутков представляет собой поочередное соединение единичных искровых промежутков и постоянных магнитов, заключенное в фарфоровый цилиндр.
При пробое в единичных искровых промежутках возникает дуга, которая за счет действия магнитного поля, создаваемого кольцевым магнитом, начинает вращаться с большой скоростью, что обеспечивает более быстрое, по сравнению с вентильными разрядниками, дугогашение.
Ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН)
В процессе эксплуатации изоляция оборудования электрических сетей подвергается воздействию рабочего напряжения, а также различных видов перенапряжений, таких как грозовые, коммутационные, квазистационарные. Основными аппаратами для защиты сетей от грозовых и коммутационных перенапряжений являются вентильные разрядники (РВ) и нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН). При построении или модернизации уже существующих схем защиты от перенапряжений с помощью ОПН и РВ необходимо решать две основные тесно связанные друг с другом задачи:
- выбор числа, мест установки и характеристик аппаратов, которые обеспечат надежную защиту изоляции от грозовых и коммутационных перенапряжений;
- обеспечение надежной работы самих аппаратов при квазистационарных перенапряжениях, для ограничения которых они не предназначены.
Защитные свойства РВ и ОПН основаны на нелинейности вольтамперной характеристики их рабочих элементов, обеспечивающей заметное снижение сопротивления при повышенных напряжениях и возврат в исходное состояние после снижения напряжения до нормального рабочего. Низкая нелинейность вольтамперной характеристики рабочих элементов в разрядниках не позволяла обеспечить одновременно и достаточно глубокое ограничение перенапряжений и малый ток проводимости при воздействии рабочего напряжения, от воздействия которого удалось отстроиться за счет введения последовательно с нелинейным элементом искровых промежутков. Значительно большая нелинейность окисно-цинковых сопротивлений варисторов ограничителей перенапряжений ОПН позволила отказаться от использования в их конструкции искровых промежутков, то есть нелинейные элементы ОПН присоединены к сети в течение всего срока его службы.
В настоящее время вентильные разрядники практически сняты с производства и в большинстве случаев отслужили свой нормативный срок службы. Построение схем защиты изоляции оборудования как новых, так и модернизируемых подстанций, от грозовых и коммутационных перенапряжений теперь оказывается возможным только с использованием ОПН.
Идентичность функционального назначения РВ и ОПН и кажущаяся простота конструкции последнего часто приводят к тому, что замену разрядников на ограничители перенапряжений проводят без проверки допустимости и эффективности использования устанавливаемого ОПН в рассматриваемой точке сети. Этим объясняется повышенная аварийность ОПН.
Помимо неверного выбора мест установки и характеристик ОПН еще одной причиной повреждений ОПН являются используемые при их сборке варисторы низкого качества, к которым, прежде всего, относятся китайские и индийские варисторы.
Cтержневые искровые промежутки
Cтержневые искровые промежутки также известные как «дугозащитные рога» применяются для защиты от пережога защищеных проводов и перевода однофазного к.з в двухфазное. Для возникновения дуги необходим ток к.з. превышающий 1 кА. Вследствие относительно низкого напряжения (6-10кВ против 20кВ в сетях Финляндии) и высокого сопротивления заземления «дугозащитные рога» в российских сетях не срабатывают.
В настоящее время на ВЛ 6-10 кВ они запрещены «Положением о технической политике» ФСК.
Разрядник длинно-искровой
Принцип работы разрядника основан на использовании эффекта скользящего разряда, который обеспечивает большую длину импульсного перекрытия по поверхности разрядника, и предотвращении за счет этого перехода импульсного перекрытия в силовую дугу тока промышленной частоты. Разрядный элемент РДИ, вдоль которого развивается скользящий разряд, имеет длину, в несколько раз превышающую длину защищаемого изолятора линии. Конструкция разрядника обеспечивает его более низкую импульсную электрическую прочность по сравнению с защищаемой изоляцией. Главной особенностью длинно-искрового разрядника является то, что вследствие большой длины импульсного грозового перекрытии вероятность установления дуги короткого замыкания сводится к нулю.
Существуют различные модификации РДИ, отличающиеся назначением и особенностями ВЛ, на которых они применяются.
РДИ предназначены для защиты воздушных линий электропередачи напряжением 6-10 кВ трехфазного переменного тока с защищёнными и неизолированными проводами от индуктированных грозовых перенапряжений и их последствий и прямого удара молнии; рассчитаны для работы на открытом воздухе при температуре окружающего воздуха от минус 60 °C до плюс 50 °C в течение 30-и лет.
Основное преимущество РДИ: разряд развивается вдоль аппарата по воздуху, а не внутри его. Это позволяет значительно увеличить срок эксплуатации изделий и повышает их надежность.
Обозначение
На электрических принципиальных схемах в России разрядники обозначаются согласно ГОСТ 2.727—68.
1. Общее обозначение разрядника
2. Разрядник трубчатый
3. Разрядник вентильный и магнитовентильный
4. ОПН
